I2C串行總線的組成及工作原理,西安交通大學陶唐飛,I2C串行總線概述,I2C總線，是INTER-IC串行總線的縮寫。INTER-IC意思是用于相互作用的集成電路，這種集成電路主要由雙向串行時鐘線SCL和雙向串行數據線SDA兩條線路組成。I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機系統所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。,I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。,I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關系。,I2C串行總線概述,每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數據傳送可以是由主機發送數據到其它器件，這時主機即為發送器。由總線上接收數據的器件則為接收器。,在多主機系統中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數據。為了避免混亂，I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線。在80C51單片機應用系統的串行總線擴展中，我們經常遇到的是以80C51單片機為主機，其它接口器件為從機的單主機情況。,I2C串行總線概述,主機：初始化發送、產生時鐘信號和終止發送的器件，它可以是發送器或接收器。主機通常是微處理器。從機：被主機尋址的器件，它可以是發送器或接收器，,一、數據位的有效性規定I2C總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。,I2C總線的數據傳送,二、起始和終止信號,SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。,I2C總線的數據傳送,I2C總線中唯一違反上述數據有效性的是被定義為起始（S）和停止（P）條件。,起始和終止信號都是由主機發出的。在起始信號產生后，總線就處于被占用的狀態；在終止信號產生后，總線就處于空閑狀態。,連接到I2C總線上的器件若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。對于不具備I2C總線硬件接口的有些單片機來說，為了檢測起始和終止信號，必須保證在每個時鐘周期內對數據線SDA采樣兩次。,I2C總線的數據傳送,接收器件收到一個完整的數據字節后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節，這時接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機處于等待狀態。直到接收器件準備好接收下一個字節時，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數據傳送可以繼續進行。,I2C總線的數據傳送,三、數據傳送格式（1）字節傳送與應答,每一個字節必須保證是8位長度。數據傳送時，先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的字節后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。,I2C總線的數據傳送,由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數據），它必須將數據線置于高電平，而由主機產生一個終止信號以結束總線的數據傳送。,如果從機對主機進行了應答，但在數據傳送一段時間后無法繼續接收更多的數據時，從機可以通過對無法接收的第一個數據字節的“非應答”通知主機，主機則應發出終止信號以結束數據的繼續傳送。,當主機接收數據時，它收到最后一個數據字節后，必須向從機發出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答”來實現的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機產生終止信號。,I2C總線的數據傳送,（2）數據幀格式I2C總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。,每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續占用總線進行新的數據傳送，則可以不產生終止信號，馬上再次發出起始信號對另一從機進行尋址。,I2C總線的數據傳送,A、主機向從機發送數據，數據傳送方向在整個傳送過程中不變。,有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數據由從機向主機傳送。A表示應答，/A表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。,在總線的一次數據傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：,I2C總線的數據傳送,B、主機在第一個字節(尋址字節)后，立即由從機讀數據。,I2C總線的數據傳送,在從機產生響應時，主機從發送變成接收，從機從接收變成發送。之后，數據由從機發送，主機接收，每個應答由主機產生，時鐘信號仍由主機產生。若主機要終止本次傳輸，則發送一個非應答信號(A)，接著主機產生停止條件。,C、在傳送過程中，當需要改變傳送方向時，起始信號和從機地址都被重復產生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。,四、總線的尋址,I2C總線協議有明確的規定：采用7位的尋址字節（尋址字節是起始信號后的第一個字節）。（1）尋址字節的位定義,D7D1位組成從機的地址。D0位是數據傳送方向位，為“0”時表示主機向從機寫數據，為“1”時表示主機由從機讀數據。,I2C總線的數據傳送,主機發送地址時，總線上的每個從機都將這7位地址碼與自己的地址進行比較，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據R/W位將自己確定為發送器或接收器。,I2C總線的數據傳送,如一個從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有8個同樣的器件接入到該I2C總線系統中。,從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個系統中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數目。,（2）尋址字節中的特殊地址固定地址編號0000和1111已被保留作為特殊用途。,I2C總線的數據傳送,起始信號后的第一字節的8位為“00000000”時，稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節中加以說明。格式為：,第二字節為06H時，所有能響應通用呼叫地址的從機器件復位，并由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令的從機器件復位時不拉低SDA和SCL線，以免堵塞總線。,第二字節為04H時，所有能響應通用呼叫地址并通過硬件來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位，但不進行復位。,I2C總線的數據傳送,如果第二字節的方向位為“1”，則這兩個字節命令稱為硬件通用呼叫命令。在這第二字節的高7位說明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機或其他微處理器能識別這個地址，并與之傳送數據。硬件主器件作為從機使用時，也用這個地址作為從機地址。格式為：,在系統中另一種選擇可能是系統復位時硬件主機器件工作在從機接收器方式，這時由系統中的主機先告訴硬件主機器件數據應送往的從機器件地址，當硬件主機器件要發送數據時就可以直接向指定從機器件發送數據了。,I2C總線的數據傳送,（3）起始字節,不具備I2C總線接口的單片機，則必須通過軟件不斷地檢測總線，以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬件接口器件的速度就出現了較大的差別，為此，I2C總線上的數據傳送要由一個較長的起始過程加以引導。,起始字節是提供給沒有I2C總線接口的單片機查詢I2C總線時使用的特殊字節。,I2C總線的數據傳送,引導過程由起始信號、起始字節、應答位、重復起始信號（Sr）組成。,請求訪問總線的主機發出起始信號后，發送起始字節（00000001），另一個單片機可以用一個比較低的速率采樣SDA線，直到檢測到起始字節中的7個“0”中的一個為止。在檢測到SDA線上的高電平后，單片機就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號使用的第二個起始信號Sr。在起始信號后的應答時鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用的格式一致，并不要求器件在這個脈沖期間作應答。,I2C總線的數據傳送,I2C總線仲裁與時鐘發生,在多主的通信系統中。總線上有多個節點，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節點被別的節點訪問，同時它們都可以作為主節點向其它的節點發送控制字節和傳送數據。但是如果有兩個或兩個以上的節點都向總線上發送啟動信號并開始傳送數據，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進行仲裁的判決，這就是I2C總線上的仲裁。,I2C總線上的仲裁分兩部分：SCL線的同步和SDA線的仲裁。,I2C總線仲裁與時鐘發生,SCL線的同步（時鐘同步）SCL同步是由于總線具有線“與”的邏輯功能，即只要有一個節點發送低電平時，總線上就表現為低電平。,由于線“與”邏輯功能的原理，當多個節點同時發送時鐘信號時，在總線上表現的是統一的時鐘信號。這就是SCL的同步原理。,當所有的節點都發送高電平時，總線才能表現為高電平。,I2C總線仲裁與時鐘發生,SDA仲裁SDA線的仲裁也是建立在總線具有線“與”邏輯功能的原理上的。節點在發送1位數據后，比較總線上所呈現的數據與自己發送的是否一致。是，繼續發送；否則，退出競爭。SDA線的仲裁可以保證I2C總線系統在多個主節點同時企圖控制總線時通信正常進行并且數據不丟失。總線系統通過仲裁只允許一個主節點可以繼續占據總線。,I2C總線仲裁與時鐘發生,仲裁過程,DATA1和DATA2分別是主節點向總線所發送的數據信號；SDA為總線上所呈現的數據信號，SCL是總線上所呈現的時鐘信號。,I2C總線仲裁與時鐘發生,仲裁過程,當主節點1、2同時發送起始信號時，兩個主節點都發送了高電平信號。這時總線上呈現的信號為高電平，兩個主節點都檢測到總線上的信號與自己發送的信號相同，繼續發送數據。,I2C總線仲裁與時鐘發生,仲裁過程,第2個時鐘周期，2個主節點都發送低電平信號，在總線上呈現的信號為低電平，仍繼續發送數據。,I2C總線仲裁與時鐘發生,仲裁過程,在第3個時鐘周期，主節點1發送高電平信號，而主節點2發送低電平信號。根據總線的線“與”的邏輯功能，總線上的信號為低電平，這時主節點1檢測到總線上的數據和自己所發送的數據不一樣，就斷開數據